麻纤维复合材料

麻纤维是苎麻、亚麻、汉麻（大麻）、黄麻、洋麻等为代表的韧皮纤维，和剑麻为代表的叶类纤维，具有长度大、比强度和比模量高等优点，已被复合材料工业界接受多年。这些纤维通常都可以继续加工成为连续纱线，用作复合材料的单向增强纤维、增强织物或非织造材料等。麻纤维增强复合材料的基体，既包括聚丙烯（PP）、环氧树脂（ER）等来源于石油的传统树脂，也包括聚羟基烷酸酯类聚合物（PHAs）、脂肪族聚酯如聚β-羟基丁酸酯（PHB）、3-羟基丁酸和3-羟基戊酸的共聚物（PHBV）、聚乳酸（PLA）等可生物降解的生物基高分子材料以及由来源于生物质的衣康酸、松香基等合成的高分子树脂。麻纤维复合材料的密度较低，是一种轻量化的材料，将其应用交通工具等会使能耗下降，排放污染减少，而且麻纤维材料制品在其使用后的可循环再生性良好。

植物纤维增强复合材料改性

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与人造纤维增强复合材料一样，纤维和基体的界面性能是影响植物纤维增强复合材料整体性能的关键因素。植物纤维因化学组分中含有大量的羟基呈现亲水性，而目前常用的树脂基体通常是疏水的，这导致植物纤维增强复合材料中纤维和树脂基体间的界面结合较弱，从而影响了力学性能的发挥。因此，通常需要对植物纤维进行表面改性处理，改善纤维和基体间的界面性能，从而提高植物纤维增强复合材料的力学性能。目前常用的植物纤维表面改性处理方法主要包括物理改性和化学改性两种。

植物纤维的物理改性处理

物理改性不改变纤维的化学组成，仅通过改变纤维的物理结构和表面性能来改善纤维与树脂基体间的物理黏合。常用的物理改性处理方法包括蒸汽爆破处理、碱处理法、激光及高能射线辐射处理和机械改性等方法。

1. 蒸汽爆破处理

蒸汽爆破处理主要用来处理纤维素，其基本原理是在密闭容器内处于高压状态的水蒸气进入纤维素的非晶区，引发纤维素的溶胀，在规定的极短时间内，将容器压力急剧降低到大气压，引发纤维素的超分子结构破坏，分子内氢键断裂程度增加。蒸汽爆破作为一项新技术，被认为是生物再生利用过程中取得的重大进展之一，西方发达国家都在积极发展与应用蒸汽爆破处理技术。该方法不需要添加任何化学物质和催化剂，因此，生产过程洁净环保。

2. 碱处理法

碱处理法是一种常用的植物纤维改性方法，碱处理可以使纤维中的半纤维素、果胶等物质被溶解掉，提高纤维表面的粗糙度，增加纤维与基体间的机械黏合力。此外，碱液处理后纤维表面纤维素的暴露比例增大，增加了反应基团的数量，有利于通过与憎水基团反应改善植物纤维的吸湿性。由于果胶等物质被去除掉，碱处理对植物纤维的力学性能也会产生较大影响。碱处理法的关键在于碱的溶解形式、碱液的浓度、体系温度、处理时间、材料的张力和所用添加剂等。

3. 激光及高能射线辐射处理

激光和γ射线等高能射线处理植物纤维的基本原理是利用高能射线增加纤维素的活性，促使纤维素产生游离基，引发乙烯类单体在纤维素游离基位置上的接枝共聚等。电子束辐射对改善植物纤维和“不活泼“高聚物(如PP、PE、PS等)的界面性能具有良好的效果。

4. 机械改性

机械改性是通过拉伸、压延、混纺等方法改变纤维的结构和表面性质，从而改善纤维和基体间的界面黏结性能。

植物纤维的化学改性处理

化学改性是通过改变植物纤维表面的化学组成和结构，在纤维和基体之间形成物理和化学键合来改善纤维与树脂基体的界面性能，进而提高复合材料的力学性能。

植物纤维化学改性法主要包括酯化改性、包覆处理、接枝共聚和界面偶联改性等。

1. 酯化改性

植物纤维表面带有大量极性羟基基团，可以通过酯化改性方法降低植物纤维的表面极性，使其易于在基体中分散，从而改善纤维和聚合物间的界面相容性。一般酯化改性采用的试剂包括乙酸、乙酸酐、马来酸酐、邻苯二甲酸酐等低分子羧基或酸酐化合物。

2.包覆处理

包覆处理是一种简单的纤维表面处理方法，其原理是将植物纤维浸泡在某种聚合物的溶液中，使其在纤维表面形成一层聚合物膜，从而提高植物纤维与PP、PE 等非极性热塑性聚合物的相容性。

3.接枝共聚

接枝有机聚合物到纤维上是提高纤维和各种聚合物之间相容性最常用的方法之一。在植物纤维的表面接枝上某些烯类单体的均聚物，可以改善材料的吸水性浸润性和黏结性。例如，通过光引发法将苯乙烯接枝到棉纤维上，随聚苯乙烯接枝率的提高，纤维的吸水率降低，改善了棉纤维与疏水聚合物的相容性。但接枝反应过程中纤维会发生一定程度的降解，通常会引起纤维强度的下降。

4.界面偶联改性

利用偶联剂对植物纤维进行改性是一种常用的化学改性方法。由于纤维和偶联剂发生反应后，纤维表面的羟基数目减少，使纤维的吸水率降低，有利于提高植物纤维与基体的键合稳定性；此外，偶联剂处理使纤维和聚合物之间形成化学键连接以及互穿网络结构，提高了纤维与树脂基体间的界面黏结性能。

参考资料：《植物纤维增强复合材料》，李岩，于涛，沈轶鸥著。北京：科学出版社，2021.1

研究开发资源环境友好节约型绿色复合材料已成为国际先进技术领域的共识。开展麻纤维增强复合材料改性机理研究，对麻纤维增强复合材料的性能改善具有重要意义。

麻纤维具有生态性、环保性、低碳性和功能性，通过对麻纤维进行改性研究，揭示麻纤维的改性机理，进而改善麻纤维增强复合材料的力学、阻燃等性能，从而实现麻纤维增强复合材料的多功能化。

为了进一步了麻纤维增强复合材料的改性研究，“2021绿色复合材料论坛”特诚邀天津工业大学王春红教授莅临本次大会，围绕麻纤维增强复合材料改性的话题，为您详细剖析。

专家介绍：

王春红，天津工业大学博士，加拿大英属哥伦比亚大学博士后，现任天津工业大学教授，博士生导师。天津市131创新型人才，天津市优秀青年教师。致力于麻纤维增强复合材料的研究近20年，累计获国家科技进步二等奖1项，省部级科学技术奖励6项。主持国家级、省部级及大型工程转化项目20余项，在国内外重要刊物上公开发表论文130余篇，其中被SCI、EI收录42篇；授权专利28项，出版专著3部，制定国家纺织行业及天津市地方标准各1项。

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